微生物發(fā)酵監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

王 晶

(常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院智能裝備學(xué)院 江蘇常州 213164)

0 引言

目前我國的發(fā)酵產(chǎn)業(yè)正處于升級轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵階段[1]，如何精準(zhǔn)地控制發(fā)酵反應(yīng)進(jìn)程、有效地提高反應(yīng)效率、合理降低資源耗費(fèi)是未來的發(fā)展趨勢[2]。

微生物發(fā)酵的整個(gè)生化反應(yīng)過程，最終目的是提高產(chǎn)物的成品率，所以在整個(gè)操作進(jìn)程中，要保證在適宜微生物生長代謝的環(huán)境中，在此基礎(chǔ)上對發(fā)酵過程控制進(jìn)行優(yōu)化[3]。本文針對通用式微生物發(fā)酵罐，采用單片機(jī)芯片控制板和組態(tài)王軟件實(shí)現(xiàn)微生物發(fā)酵系統(tǒng)的監(jiān)控，此系統(tǒng)在滿足簡單易施、經(jīng)濟(jì)節(jié)約的同時(shí)，運(yùn)行可靠、維護(hù)方便[4]。其可設(shè)置不同的管理權(quán)限，工作人員在管理中心注冊后，通過上位機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對微生物發(fā)酵過程中的溫度、pH值、溶氧量等參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢與控制等有效監(jiān)測，從而形成良好的自動(dòng)化控制系統(tǒng)。

1 整體實(shí)現(xiàn)方案

在整個(gè)發(fā)酵過程中主要采集一些與質(zhì)量有關(guān)的變量，比如溫度、攪拌速度、pH值、溶氧量、通氣量、泡沫等[5]。本文主要對溫度、pH值和溶氧量進(jìn)行重點(diǎn)控制。

1) 溫度控制：對不同的微生物而言，最適宜生長的溫度不同。所以在整個(gè)發(fā)酵過程中，將溫度控制在合適的范圍內(nèi)至關(guān)重要。

2) pH控制：pH值是微生物生長的另一個(gè)重要環(huán)境參數(shù)。在發(fā)酵過程中，首先要確定生產(chǎn)環(huán)境的酸堿性，如若pH值不在標(biāo)準(zhǔn)的范圍內(nèi)，會嚴(yán)重影響整個(gè)化學(xué)過程中生物代謝的進(jìn)行和產(chǎn)物的合成。

3) 溶解氧濃度控制：氧是微生物生長的必需原料，若供氧不足，將會嚴(yán)重影響微生物的生長，為此在發(fā)酵過程中，要保持一定的溶液量。影響DO值的主要參數(shù)為空氣量、攪拌速度、罐體壓力。

各類傳感器采集到相應(yīng)的數(shù)據(jù)后，再經(jīng)由A/D轉(zhuǎn)換模塊，將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，發(fā)送至單片機(jī)，單片機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行接收與處理，最后通過RS485串口通信方式發(fā)送至上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)發(fā)酵系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)的實(shí)時(shí)采集及查詢等功能。當(dāng)采集的數(shù)據(jù)處于非正常范圍時(shí)，上位機(jī)會發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警信號。同時(shí)，有效利用單片機(jī)的串口功能，上位機(jī)發(fā)出正確的指令，調(diào)整開關(guān)、閥門等控制裝置的狀態(tài)，使發(fā)酵罐保持正常的工作環(huán)境。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控芯片設(shè)計(jì)

主控制芯片采用MSP430系列單片機(jī)，該芯片為美國德州儀器(TI)公司生產(chǎn)，于1996年推向市場。MSP430系列單片機(jī)是一個(gè)16位的單片機(jī)，采用精簡指令集(RISC)結(jié)構(gòu)，具有豐富的尋址方式。該系列的單片機(jī)不但處理能力強(qiáng)、運(yùn)算速度快、功耗超低，而且還具備片內(nèi)資源豐富、開發(fā)環(huán)境方便高效等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足大部分?jǐn)?shù)據(jù)采集的應(yīng)用[6]。圖2為此單片機(jī)最小系統(tǒng)圖。

2.2 通訊模塊設(shè)計(jì)

RS485總線通信硬件接口簡單、傳輸距離較遠(yuǎn)，

圖2 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路圖

且性價(jià)比高、抗干擾能力強(qiáng)，廣泛應(yīng)用于各類中小型數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)[7]。

本設(shè)計(jì)采用工業(yè)計(jì)算機(jī)(IPC)作為開發(fā)上位機(jī)的硬件設(shè)備，再通過RS232轉(zhuǎn)RS485串口轉(zhuǎn)換設(shè)備訪問RS485總線網(wǎng)，根據(jù)現(xiàn)場應(yīng)用情況選擇串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)或者樹形結(jié)構(gòu)，適當(dāng)添加RS485路由器[8]。

本設(shè)計(jì)RS485模塊采用SP3485作為收發(fā)器，該芯片支持3.3 V供電，最大傳輸速度可達(dá)10 Mbit/s，支持多達(dá)32個(gè)節(jié)點(diǎn)，并且有輸出短路保護(hù)，硬件電路如圖3所示。

圖3 RS485硬件原理圖

2.3 傳感器的選型與應(yīng)用

本系統(tǒng)測溫模塊采用的是DS18B20系列的數(shù)字溫度傳感器，該款傳感器具備體積小、抗干擾能力強(qiáng)、精度高等特點(diǎn)[9]。封裝后的DS18B20可廣泛應(yīng)用于各種非極限溫度場合，如電纜溝測溫、高瀘水循環(huán)測溫、鍋爐測溫等。該系列傳感器使用便捷、抗磨損性強(qiáng)、封裝形式多樣，適用于各種狹小空間設(shè)備數(shù)字測溫和控制領(lǐng)域[10]。

pH傳感器采用美國哈希公司的HQd 系列便攜式水質(zhì)分析儀，該款傳感器具有較大的測量靈活性，同時(shí)操作簡單，可自動(dòng)識別電極。該套多參數(shù)水質(zhì)檢測儀包含了各種IntelliCALTM電極，可測量pH、電導(dǎo)率、溶解氧(LDO)、LBOD、ORP以及鈉、銨、氨、氟、硝酸鹽、氯等參數(shù)。

DO傳感器采用的是DO6400系列的水下點(diǎn)解溶氧傳感器，內(nèi)含大容量的電解池，透氧薄膜更換方便，采用可靠的原電池測量技術(shù)，支持長時(shí)間工作，非常適合養(yǎng)殖和生物發(fā)酵監(jiān)測應(yīng)用，且這些溶解氧DO傳感器僅需要最低限度的維護(hù)。

2.4 攪拌器和閥門的選型與應(yīng)用

在整個(gè)發(fā)酵監(jiān)控過程中，溫度的控制需要制冷和制熱開關(guān)實(shí)現(xiàn)，pH值的控制需要打開閥門添加相應(yīng)酸堿化學(xué)藥劑，而溶氧濃度則與發(fā)酵罐體的通氣量、攪拌速度等物理參數(shù)相關(guān)。其中，進(jìn)入發(fā)酵罐中的無菌空氣的量，對整個(gè)微生物發(fā)酵過程中的溶氧濃度產(chǎn)生了直接的影響。因?yàn)樵诎l(fā)酵過程中，隨著微生物的快速增長，將會進(jìn)入對數(shù)增長期，菌體的耗氧量明顯增多。這時(shí)如果停止進(jìn)氣的補(bǔ)給，發(fā)酵液中的氧很快被微生物耗盡。在工業(yè)生產(chǎn)中通常會在進(jìn)氣管道上安裝閥門對通氣量進(jìn)行調(diào)節(jié)。

攪拌器的攪拌速度對溶氧濃度的影響也較大，在發(fā)酵過程中，適當(dāng)?shù)臄嚢杷俣瓤梢垣@得較好的跨膜擴(kuò)散速率，而跨膜擴(kuò)散速率和氧溶解在發(fā)酵液中的濃度成比例，可有效控制發(fā)酵液中的溶氧濃度。同時(shí)，適當(dāng)攪拌也可以防止氣泡聚集，獲得比較精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)。

3 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的上位機(jī)部分采用的是北京亞控公司生產(chǎn)的組態(tài)王(king view6.53)軟件，該款產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)適用、開放性好、易于擴(kuò)展且開發(fā)周期短[11]。整款軟件包含控制層、監(jiān)控層和管理層三個(gè)層次結(jié)構(gòu)。其中監(jiān)控層的主要作用是連接控制層和管理層。不僅能夠?qū)ΜF(xiàn)場的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和控制，還可以在整個(gè)控制系統(tǒng)中完成上傳下達(dá)、組態(tài)開發(fā)等功能。同時(shí)該系統(tǒng)還具備豐富的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，可進(jìn)行靈活的設(shè)備組態(tài)、連接相關(guān)數(shù)據(jù)等。在圖形編輯器中，開發(fā)豐富的監(jiān)控界面，編寫相關(guān)程序，實(shí)現(xiàn)對應(yīng)的動(dòng)態(tài)效果，能夠更加直觀地體現(xiàn)監(jiān)控狀態(tài)。該系統(tǒng)還具備了報(bào)警提示、實(shí)時(shí)趨勢曲線查詢、生成報(bào)表查詢等各類功能。

系統(tǒng)上位機(jī)主要分為用戶登錄模塊、通信設(shè)備、數(shù)據(jù)管理設(shè)備、用戶管理設(shè)備四個(gè)功能模塊。工作人員可通過注冊登錄，實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的存儲、查詢、增刪等功能。

3.1 變量的定義

新建項(xiàng)目后，要進(jìn)行變量的定義，定義變量的前提是連接正確的驅(qū)動(dòng)設(shè)備，如圖4所示。首先需要選擇正確的COM口，數(shù)據(jù)最終是經(jīng)由RS485轉(zhuǎn)RS232串口轉(zhuǎn)換器送至上位機(jī)界面，而工業(yè)控制計(jì)算機(jī)具備多個(gè)COM口，所以先需確定數(shù)據(jù)是通過哪路COM進(jìn)行傳輸，再對其進(jìn)行選擇。選中后，新建的通信設(shè)備，在設(shè)備配置向?qū)旅孢x擇正確的單片機(jī)，以及相對應(yīng)的通信方式，從而成功配置。

圖4 連接驅(qū)動(dòng)設(shè)備

配置完成后，進(jìn)入數(shù)據(jù)詞典，根據(jù)監(jiān)控要求，定義相關(guān)變量。在定義變量時(shí)，要注意變量類型的匹配，比如變量溫度的數(shù)據(jù)類型為IO實(shí)數(shù)，包括連接設(shè)備、寄存器等，都需要根據(jù)實(shí)際情況一一匹配設(shè)置。

3.2 登錄界面設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)了用戶登錄界面，如圖5所示。管理員可通過登錄按鍵，進(jìn)入主界面進(jìn)行查詢等相關(guān)操作。同時(shí)，系統(tǒng)會根據(jù)工作人員的配置及分組設(shè)置相關(guān)的系統(tǒng)管理員組。

不同的管理員對應(yīng)不同的設(shè)置權(quán)限，以及優(yōu)先級和安全區(qū)。利用用戶和安全區(qū)配置功能，還可以實(shí)現(xiàn)用戶的增加、刪減、用戶名密碼查詢等相關(guān)功能。

相關(guān)程序如下所示：

logon();

If(\本站點(diǎn)用戶名==“張三”)

ShowPicture(“主界面”)；

圖5 用戶登錄界面

3.3 主界面設(shè)計(jì)

管理員登錄后，進(jìn)入監(jiān)控系統(tǒng)主界面，如圖6所示。不同管理員具備權(quán)限不同，高級管理員可對端口的com口、波特率、奇偶校驗(yàn)等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，同時(shí)還可以設(shè)定溫度值、溶氧量和pH值的標(biāo)準(zhǔn)值。普通管理員僅執(zhí)行查詢數(shù)據(jù)、控制開關(guān)等操作。例如圖6中登錄管理員為張三，上位機(jī)界面清楚顯示管理員的姓名、編號以及權(quán)限。管理員通過溶液罐的選擇，監(jiān)控不同溶液罐內(nèi)的狀態(tài)。此時(shí)監(jiān)控的是2號溶液罐，溫度控制、DO控制和pH值控制三個(gè)小界面實(shí)時(shí)監(jiān)測溶液罐內(nèi)的各個(gè)數(shù)值。根據(jù)不同的要求設(shè)定需滿足的溫度值、DO值和pH值，當(dāng)罐內(nèi)的實(shí)際溫度與設(shè)定溫度不符時(shí)，通過制冷和制熱的開關(guān)調(diào)節(jié)罐內(nèi)溫度；也可通過對攪拌電機(jī)和出料閥的控制調(diào)節(jié)溶氧量和pH值，使整個(gè)發(fā)酵罐處于最佳工作環(huán)境。系統(tǒng)通過后臺數(shù)據(jù)庫的管理，對各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)查詢，便于總結(jié)與分析。同時(shí)為了更加直觀地分析參數(shù)的變化趨勢，也可以將各項(xiàng)參數(shù)以曲線的形式呈現(xiàn)。當(dāng)實(shí)際測得的溫度值和設(shè)定值不符時(shí)，主界面右下角的報(bào)警指示燈會發(fā)出報(bào)警信號，提醒管理員執(zhí)行相關(guān)操作，查詢具體報(bào)警信息和報(bào)表信息。

圖6 系統(tǒng)主界面設(shè)計(jì)

3.4 曲線查詢界面

系統(tǒng)不但可以實(shí)時(shí)接收發(fā)酵罐內(nèi)的數(shù)值，后臺數(shù)據(jù)庫也可以通過數(shù)據(jù)整理等相應(yīng)工具將歷史數(shù)據(jù)生成曲線，管理員通過日期和溶液罐的選擇，查詢某一時(shí)間段罐內(nèi)的溫度走勢，便于更加直觀地觀察并分析數(shù)值。如圖7所示，此時(shí)監(jiān)控的罐體是1號溶液罐在2022年3月8日某一時(shí)間段的數(shù)值，并以曲線的方式呈現(xiàn)。在該界面，管理員也可返回主菜單，通過同樣的操作方式，實(shí)現(xiàn)pH值和溶氧量的曲線查詢。

3.5 報(bào)警界面

要讓系統(tǒng)具備實(shí)時(shí)報(bào)警的功能，首先要新建相關(guān)的報(bào)警組。在報(bào)警組定義中，新建一個(gè)名稱為“參數(shù)報(bào)警”的報(bào)警組。在該報(bào)警組內(nèi)，對需要報(bào)警的各類參數(shù)進(jìn)行相關(guān)設(shè)置。以“溫度”這個(gè)變量為例，在定義變量的報(bào)警定義菜單下，將“溫度”加入“參數(shù)報(bào)警”的報(bào)警組，并設(shè)置相對應(yīng)的上限、下限共4個(gè)限定值，數(shù)值可根據(jù)具體項(xiàng)目要求進(jìn)行調(diào)整。

圖7 溫度曲線查詢界面

在實(shí)際生產(chǎn)之前會設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)的參數(shù)范圍，存入數(shù)據(jù)庫，當(dāng)測得的數(shù)值與生產(chǎn)要求不符時(shí)，主界面的報(bào)警指示燈會發(fā)出紅色的報(bào)警信號。管理員可通過點(diǎn)擊報(bào)警信息查詢按鈕查詢詳細(xì)的報(bào)警信息。如圖8所示，根據(jù)日期、溶液罐具體觀察報(bào)警信息，確定報(bào)警時(shí)間、日期、界限值、優(yōu)先級等相應(yīng)參數(shù)。

圖8 報(bào)警信息查詢界面

3.6 報(bào)表查詢

管理員通過主界面菜單切換到報(bào)表查詢界面，查詢各類參數(shù)的實(shí)時(shí)數(shù)值和歷史數(shù)值。時(shí)間、用戶名、報(bào)警狀態(tài)等相關(guān)信息，都可以進(jìn)行統(tǒng)一查詢。詳細(xì)界面如圖9所示。

圖9 報(bào)表界面查詢

4 結(jié)束語

隨著微生物發(fā)酵技術(shù)的日益增長，國內(nèi)外對通用性、小型化生物發(fā)酵設(shè)備的研究和開發(fā)越來越重視。本文所提出的微生物發(fā)酵監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，以嵌入式系統(tǒng)為核心，結(jié)合傳感器技術(shù)，利用組態(tài)王軟件平臺開發(fā)上位機(jī)監(jiān)控界面，能夠及時(shí)準(zhǔn)確地測量各發(fā)酵罐內(nèi)的參數(shù)，了解此時(shí)的生產(chǎn)狀態(tài)，并根據(jù)生產(chǎn)要求對化學(xué)車間進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。同時(shí)，利用自動(dòng)化控制、信息化管理，將生產(chǎn)車間的值班人員從枯燥的工作中解脫出來，提高了工作效率，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。在本文研究的過程中，也發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集模塊可以不采用單片機(jī)作為核心處理器，而采用PLC、ADAM智能數(shù)據(jù)采集模塊完成數(shù)據(jù)的采集;在上位機(jī)軟件部分，也可以采用西門子WINCC組態(tài)軟件、MCGS觸摸屏等完成監(jiān)控界面的設(shè)計(jì)與開發(fā);在監(jiān)控系統(tǒng)功能部分，也可加入數(shù)據(jù)報(bào)表的生成、查詢、打印等功能。